CN108052126A - 一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统和方法，其中控制系统包括有主控模块、通信模块、电源模块、驱动模块和传感模块，所述电源模块的输出端分别连接至通信模块的电源端、主控模块的电源端和传感模块的电源端，所述传感模块通过主控模块连接至通信模块，所述主控模块还连接有按键，所述主控模块的输出端连接至驱动模块的输入端。本发明通过融合多种角度传感器，保证数据准确性，通过角度数据可以直观地反映卷帘机的运作状态，可通过无线传输技术接入到农业物联网中，实现智能控制，解决了温室大棚生产管理中的人力短缺问题。本发明作为一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统和方法可广泛应用于控制领域。

Description

一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统和方法

技术领域

本发明涉及控制领域，尤其是一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统和方法。

背景技术

随着当代电子技术的不断发展及普及，各类电子产品在工业和医疗等领域的应用已相当广泛，但在农业中的应用少之又少。中国作为人口大国，在农业生产方面有着日益增长的需求，但投入到农业生产中的人口却越来越少，如何使用更少的劳动力获取更高的生产值，成为了急需解决的问题。在农业生产中，温室大棚占有农业经济的重要地位，需要实现温室大棚机械化管理。

全国各地的温室大棚绝大部分都使用了卷帘机来进行升帘和降帘以保持棚内的温度在一个稳定的水平，但目前，为了防止在升帘和降帘的过程中出现过升和过降而导致经济损失的情况，大部分大棚的卷帘机都需要由专人来管理，需要一定的人力资源，效率低下，而且使用自动限位技术的大棚，都是基于机械原理的限位技术，需要在大棚的底部和顶部各安装一个限位开关，同时需要布置比较长的电力线来给整套设备供电。与此同时，在农业物联网正在快速发展的今天，使用机械式限位开关的技术，由于其施工复杂程度太大，不能很好地融入农业物联网的体系。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种基于多传感器融合的安全稳定限位的大棚卷帘机智能自动控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：提供一种基于多传感器融合的安全稳定限位的大棚卷帘机智能自动控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统，包括有主控模块、通信模块、电源模块、驱动模块和传感模块，所述电源模块的输出端分别连接至通信模块的电源端、主控模块的电源端和传感模块的电源端，所述传感模块通过主控模块连接至通信模块，所述主控模块还连接有按键，所述主控模块的输出端连接至驱动模块的输入端。

进一步，所述电源模块包括有降压电路和稳压电路，所述降压电路的输入端用于接入电源，所述降压电路的输出端通过稳压电路分别连接至通信模块的电源端、主控模块的电源端和传感模块的电源端。

进一步，所述传感模块包括有陀螺仪和加速度传感器，所述陀螺仪和加速度传感器均连接至主控模块。

进一步，所述驱动模块包括有继电器电路和接触器电路，所述主控模块的输出端通过继电器电路连接至接触器电路的控制端，所述接触器电路用于控制卷帘机的上卷和下卷动作。

进一步，所述通信模块为无线通信模块。

本发明所采用的另一技术方案是：一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制方法，包括有以下步骤：

A、初始化卷帘机的行程范围，所述行程范围包括有上限角度值、中间角度值和下限角度值；

B、通过传感模块的数据计算得到卷帘机的实时行程位置对应的角度值；

C、判断卷帘机的实时行程位置对应的角度值是否超出设定的行程范围，若超出，则停止卷帘机的运动。

进一步，所述中间角度值为行程范围中卷帘机的任意一个行程位置所对应的角度值。

进一步，所述传感模块包括有多个传感器，所述步骤B具体包括有以下子步骤：

B1、实时采集多个传感器的传感数据；

B2、对每个传感器的传感数据进行卡尔曼滤波，然后计算方差Di；

B3、根据方差计算每个传感器对应的加权系数：n为传感器个数，表示所有传感器的方差的总和；

B4、根据加权系数计算最终的角度值：其中Wi为每个传感器数据计算所得到的角度值。

进一步，还包括有步骤D：根据卷帘机的行程范围和卷帘机的实时行程位置对应的角度值计算卷帘进度并显示进度。

进一步，所述卷帘机上卷的卷帘进度计算公式为：

所述卷帘机下卷的卷帘进度计算公式为：

其中A表示上限角度值，B表示下限角度值，C表示卷帘机的实时行程位置对应的角度值。

本发明系统和方法的有益效果是：通过基于电子式的卷帘机限位技术，融合多种角度传感器，保证数据准确性，只需要安装在卷帘机的立杆上，在卷帘机在运动过程中，立杆的倾斜角度会随之变化，通过角度数据可以直观地反映卷帘机的运作状态，由于其本身是电子设备，可以通过MCU进行数据处理和无线传输技术把角度数据传入到云服务器的数据平台，简便地接入到农业物联网中，并可结合网页或APP在线观察卷帘机的运作状态，解决了温室大棚生产管理中的人力短缺问题，同时相对于目前的机械式的限位技术，其施工简便，容易接入到农业物联网平台。

附图说明

图1为本发明系统的系统结构框图；

图2为本发明方法的步骤流程图；

图3为本发明应用场景中卷帘机的行程范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图1，一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统，包括有主控模块、通信模块、电源模块、驱动模块和传感模块，所述电源模块的输出端分别连接至通信模块的电源端、主控模块的电源端和传感模块的电源端，所述传感模块通过主控模块连接至通信模块，所述主控模块还连接有按键，所述主控模块的输出端连接至驱动模块的输入端。

进一步作为优选的实施方式，所述电源模块包括有降压电路和稳压电路，所述降压电路的输入端用于接入电源，所述降压电路的输出端通过稳压电路分别连接至通信模块的电源端、主控模块的电源端和传感模块的电源端。

进一步作为优选的实施方式，所述传感模块包括有陀螺仪和加速度传感器，所述陀螺仪和加速度传感器均连接至主控模块；传感模块跟随卷帘运动，对角度数据实现动态测量。

进一步作为优选的实施方式，所述驱动模块包括有继电器电路和接触器电路，所述主控模块的输出端通过继电器电路连接至接触器电路的控制端，所述接触器电路用于控制卷帘机的上卷和下卷动作。

本发明系统可远程操作卷帘机，通过隔离强电和弱电，不需要人工操作卷帘机的倒顺开关，远离380V的高压电线，避免因意外造成人生伤害。

本发明具体实施例中主控模块可采用微控制器STM32F407，传感模块具体可采用六轴陀螺仪MPU6050和加速度传感器MMA8452。微控制器STM32F407通过IIC接口与传感模块通信，获取数据并处理。电源模块通过降压电路把卷帘机中380V的电压降到12V，再通过稳压电路稳到3.3V供主控模块及传感模块供电。继电器电路接收主控模块发出的控制信号，然后控制后端的接触器电路，实现卷帘机的通断控制。由于卷帘机的工作包括上卷和下卷，继电器电路和接触器电路中可分别采用2个继电器和2个交流接触器来完成控制卷帘机的工作。

进一步作为优选的实施方式，所述通信模块为无线通信模块，例如GPRS/WIFI模块。

参照图2，对应上述控制系统，本发明还提供一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制方法，包括有以下步骤：

A、初始化卷帘机的行程范围，所述行程范围包括有上限角度值、中间角度值和下限角度值；

在初次使用的时候记录卷帘机的上顶和下低的角度、中间的任意一个角度，完成卷帘机的行程限位设置。在以后的工作中，主控模块会根据测量到的角度值判断是否处于一个预设的范围内，如果有任何异常可以控制交流接触器停止卷帘机的运作。例如，目前卷帘机正在处于下底的位置，按下主控模块所连接的用于初始化记录的按键，得到一个角度的极限值；然后按下卷帘机的倒顺开关使卷帘机往上运动，一段时间后暂停，再次按下该按键记录中间值；接着让卷帘机上卷到顶后停止，再按下该按键记录终点值。记录好初始设置的三个角度后就完成了卷帘机行程限位的设置。通过这三个数据，可以确定卷帘机行程限位的关系。

进一步作为优选的实施方式，所述中间角度值为行程范围中卷帘机的任意一个行程位置所对应的角度值。

参照图3，在圆周运动中，任何不重复的两点(起点和终点)确定的运动范围都有顺时针和逆时针两个运动方向。上述中间角度值的作用在于确定运动方向。例如在某个应用场景中，记录到的一组初始设置数据为(91.2°,83.3°,66.9°)，前后两个数据分别代表起点和终点，83.3°是运动过程中的一个中间值。由这两个极限值组成一个范围，但由于属于圆周类运动，只知道两个极限值的话还不能完全确定运动方向，就上述数据而言，范围可能是[66.9°,91.2°]和[91.2°,360°)∪[0°,66.9°]两种可能，即无法确定运动方向为顺时针或逆时针。引入中间值83.3°则可确定这一个范围，对于上述数据，83.3°∈[66.9°，91.2°]，即可确定是顺时针运动，相当于91.2°到66.9°递减运动，因此，只有当测量到角度数据在此范围内的数据才属于正常范围，如果测量到的角度接近或超出了这个范围，就可以停止卷帘机的运动，实现自动限位控制。

B、通过传感模块的数据计算得到卷帘机的实时行程位置对应的角度值；

本发明中可采用的是六轴陀螺仪和/或三轴加速度传感器来测量角度。系统最初从传感器获取到的数据是三个空间方向上的压力数据，经过数学换算得到角度数据。利用角度数据进行一个推导过程就可以反映出卷帘机的工作过程。

进一步作为优选的实施方式，所述传感模块包括有多个传感器，所述步骤B具体包括有以下子步骤：

B1、实时采集多个传感器的传感数据；

B2、对每个传感器的传感数据进行卡尔曼滤波，然后计算方差Di；经过滤波处理后的数据可尽量减少误差，滤除干扰数据，保证了数据的可靠性；

B3、根据方差计算每个传感器对应的加权系数：n为传感器个数，表示所有传感器的方差的总和；系统方差大，则传感器工作不够稳定，相比于其他传感器，该传感器测量到的值误差可能更大，此时分配给该传感器的权值就会相应减小；

B4、根据加权系数计算最终的角度值：其中Wi为每个传感器数据计算所得到的角度值。

C、判断卷帘机的实时行程位置对应的角度值是否超出设定的行程范围，若超出，则停止卷帘机的运动。

进一步作为优选的实施方式，还包括有步骤D：根据卷帘机的行程范围和卷帘机的实时行程位置对应的角度值计算卷帘进度并显示进度。

进一步作为优选的实施方式，所述卷帘机上卷的卷帘进度计算公式为：

所述卷帘机下卷的卷帘进度计算公式为：

其中A表示上限角度值，B表示下限角度值，C表示卷帘机的实时行程位置对应的角度值。

以上述应用场景中获取的数据为例，某时刻，控制器接收到上卷命令并执行时，测量到卷帘机的角度是88.8°，说明已经上卷进度为：当上卷进度达到99％以上时，将会停止运动，在远程服务器或平台上显示上卷完成，此时主控模块可执行远程发送的下卷命令；同时还可根据这些数据在远程服务器或平台上完成了卷帘机工作状态的可视化显示。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统，其特征在于：包括有主控模块、通信模块、电源模块、驱动模块和传感模块，所述电源模块的输出端分别连接至通信模块的电源端、主控模块的电源端和传感模块的电源端，所述传感模块通过主控模块连接至通信模块，所述主控模块还连接有按键，所述主控模块的输出端连接至驱动模块的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统，其特征在于：所述电源模块包括有降压电路和稳压电路，所述降压电路的输入端用于接入电源，所述降压电路的输出端通过稳压电路分别连接至通信模块的电源端、主控模块的电源端和传感模块的电源端。

3.根据权利要求1所述的一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统，其特征在于：所述传感模块包括有陀螺仪和加速度传感器，所述陀螺仪和加速度传感器均连接至主控模块。

4.根据权利要求1所述的一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统，其特征在于：所述驱动模块包括有继电器电路和接触器电路，所述主控模块的输出端通过继电器电路连接至接触器电路的控制端，所述接触器电路用于控制卷帘机的上卷和下卷动作。

5.根据权利要求1所述的一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制系统，其特征在于：所述通信模块为无线通信模块。

6.一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制方法，其特征在于，包括有以下步骤：

A、初始化卷帘机的行程范围，所述行程范围包括有上限角度值、中间角度值和下限角度值；

B、通过传感模块的数据计算得到卷帘机的实时行程位置对应的角度值；

C、判断卷帘机的实时行程位置对应的角度值是否超出设定的行程范围，若超出，则停止卷帘机的运动。

7.根据权利要求6所述的一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制方法，其特征在于：所述中间角度值为行程范围中卷帘机的任意一个行程位置所对应的角度值。

8.根据权利要求6所述的一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制方法，其特征在于：所述传感模块包括有多个传感器，所述步骤B具体包括有以下子步骤：

B1、实时采集多个传感器的传感数据；

B2、对每个传感器的传感数据进行卡尔曼滤波，然后计算方差Di；

B3、根据方差计算每个传感器对应的加权系数：n为传感器个数，表示所有传感器的方差的总和；

B4、根据加权系数计算最终的角度值：其中Wi为每个传感器数据计算所得到的角度值。

9.根据权利要求6所述的一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制方法，其特征在于：还包括有步骤D：根据卷帘机的行程范围和卷帘机的实时行程位置对应的角度值计算卷帘进度并显示进度。

10.根据权利要求9所述的一种多传感器融合的大棚卷帘机智能控制方法，其特征在于：所述卷帘机上卷的卷帘进度计算公式为：

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所述卷帘机下卷的卷帘进度计算公式为：

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其中A表示上限角度值，B表示下限角度值，C表示卷帘机的实时行程位置对应的角度值。